Ученые давно ищут ответ на вопрос - Как образовываются основные химические элементы нашей Вселенной? Данный вопрос лежал в основе ядерной физики на протяжении большей части столетия. В начале 20-го века, ученые обнаружили, что элементы имеют центральное ядро или ядра. Эти ядра состоят из различного количества протонов и нейтронов.

Теперь ученые из Центра редких изотопных пучков (FRIB) Университета штата Мичиган построили и протестировали устройство, которое позволит получить принципиальное представление о тяжелых элементах или элементах с очень большим количеством протонов и нейтронов. Бен Кей, физик Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), возглавил эту работу.

«Взрывающиеся звезды, слияние гигантских коллапсирующих звезд. Теперь мы изучаем подробности ядерных реакций, лежащих в основе этих событий. С SOLARIS мы можем воссоздать эти реакции здесь, на Земле, чтобы увидеть их собственными глазами», сказал Бен Кей. Кей и его команда завершили свой первый эксперимент, используя устройство под названием SOLARIS, что расшифровывается как «Электромагнитный спектрометр для исследования реакций».

Запланированные эксперименты откроют информацию о ядерных реакциях, которые создают одни из самых тяжелых элементов в нашем мире, от железа до урана. Также запланированы эксперименты с экзотическими изотопами. Изотопы - это элементы, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ученые называют некоторые изотопы экзотическими, потому что их соотношение протонов и нейтронов отличается от отношения обычно стабильных или долгоживущих изотопов, которые встречаются в природе на Земле. Некоторые из этих нестабильных изотопов играют важную роль в астрономических событиях.

«Взрывающиеся звезды, слияние гигантских коллапсирующих звезд, теперь мы изучаем подробности ядерных реакций, лежащих в основе этих событий. С SOLARIS, мы можем воссоздать эти реакции здесь, на Земле, чтобы увидеть весь процесс и изучить его», - сказал Кей.

Новое устройство следует по стопам HELIOS, спирального орбитального спектрометра в Аргонне. Оба используют аналогично перепрофилированные сверхпроводящие магниты из аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ), который используется в больницах. В обоих случаях пучок частиц попадает в целевой материал внутри вакуумной камеры. Когда частицы сталкиваются с мишенью, происходят реакции переноса. В таких реакциях нейтроны или протоны либо удаляются, либо добавляются из ядер, в зависимости от частиц и их энергии, используемых при столкновении.

«Регистрируя энергию и угол наклона различных частиц, которые высвобождаются или отклоняются от столкновений, мы можем собирать информацию о структуре ядер в этих изотопах. Инновационная SOLARIS конструкция обеспечивает необходимое разрешение для улучшения нашего понимания этих экзотических ядер», - сказал Кей.

По словам ученых, SOLARIS поистине уникальный, потому что он может работать как двухрежимный спектрометр, что означает, что он может проводить измерения как с лучами высокой, так и с очень низкой интенсивностью.

Первый эксперимент команды, проведенный научным сотрудником Клементины Сантамария из FRIB, изучал распад кислорода- 16 (наиболее распространенного изотопа кислорода на нашей планете) на гораздо более мелкие альфа-частицы. В частности, восемь протонов и восемь нейтронов в ядрах кислорода-16 распадаются в общей сложности на четыре альфа-частицы, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Кей и его команда зарегистрировали более двух миллионов реакций во время этого эксперимента и наблюдали несколько случаев распада кислорода-16 на альфа-частицы.

Ученые считают, что двойная функциональность SOLARIS позволит проводить еще более широкий спектр экспериментов с ядерными реакциями, чем раньше, и даст ученым новое понимание некоторых из величайших загадок космоса.